流体力学课件第1章流体的主要力学性质

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,第一章,流体的主要力学性质,1第一章流体的主要力学性质,2,一、流体的,微观,特点,质点,：,微观上足够大、宏观上足够小的,流体微团,。流体质点的,物理量,是确定的，不受单个分子的影响，是一个,统计平均量,。,第一节、连续介质模型,微观上：由大量做无规则运动（,布朗运动,）的分子组成的，分子间有空隙；流体具有,不连续性,。,二、质点模型,2一、流体的微观特点 质点：微观上足够大、宏,3,A,、流体的分子；,B,、流体内的固体颗粒；,C,、几何点；,D,、几何尺寸同流动空间相比是极小量,又含有大量分子的微元体。,三、连续介质模型,把,流体看成是由大量质点组成的，质点间无空隙。一个质点占据一个空间点，流体分布与空间连续对应起来。,(1),按连续介质的概念，流体质点是指,（？）,质量分布连续、运动连续、内应力连续。流体的物理量,U,都是空间坐标和时间的连续函数：,内涵,(2),连续介质模型什么情况下都适用吗？,3A、流体的分子；B、流体内的固体颗粒；C、几何点；D、几何,4,第二节、流体的主要物理性质,*,均质流体：,*,非均质流体,:,物体反抗外力而维持固有运动状态的性质。,kg/m,3,kg/m,3,N/m,3,一、惯性,1,、密度,2,、重度,4第二节、流体的主要物理性质*均质流体：*非均质流体:物体反,5,二、,粘度及牛顿内摩擦定律,流体的内聚力（对于液体）和分子的动量交换（对于气体）。,1,、粘性,粘性的微观本质,或,产生的原因,?,粘性,1,，,2,流体在有相对运动时，流体内部要产生阻碍运动和变形的内摩擦力，称为流体的粘性。粘性是流体的一种,固有属性,。,*、流体种类,2,、粘性的主要影响因素,一般地，相同条件下，液体的粘度大于气体的粘度,.,5二、粘度及牛顿内摩擦定律 流体的内聚力（,6,液体,：内聚力是液体产生粘度的主要因素。温度升高，分子间距离增大，吸引力减小，因而使剪切变形速度所产生的切应力减小，所以粘度减小。,气体：,气体分子间距离大，粘度主要是由气体分子,热运动,所产生的动量交换的结果所引起的。温度升高，分子运动加快，动量交换频繁，所以粘度增加。,流体粘度随着温度的升高而降低吗,?,*、压强,*、温度,？,对常见的流体，粘度随压强的变化不大，一般忽略；,6液体：内聚力是液体产生粘度的主要因素。温度升高，分子间距离,7,对牛顿流体，粘性力,F,的大小与流体的性质有关，并与,流速梯度,和,接触面积,成正比：,液体运动时，相邻液层间所产生的切应力与剪切变形的,速率,成正比。,表示为,应力,，引入系数,：,A,B,A,B,3,、牛顿内摩擦定律,动力粘度，,Ns/m,2,或,Pa.s,粘性切应力,(,单位面积上的内摩擦力,),N/m,2,或,Pa,；,7 对牛顿流体，粘性力F的大小与流体的性质有关，并,8,平行薄板,A,、,B,间充满流体，,A,以速度,U,运动，,B,板固定不动。由于粘性作用，流体要沿,x,方向流动，在,y,方向流速要发生变化（,U0,）：,牛顿剪切定律：,速度线性变化,A,B,A,B,8 平行薄板A、B间充满流体，A以速度U运动，B板,9,*、基于角变形分析的牛顿内摩擦定律：,牛顿内摩擦定律,（,1-12,）,流体的切应力与（剪切,变形速率,or,角变形速率）,成正比。,a,b,a,b,d,c,d,c,dy,流体质点的剪切变形速率,9*、基于角变形分析的牛顿内摩擦定律：牛顿内摩擦定律（1-1,10,!,*,切应力与,剪切变形,速率,成正比,；,而固体的切应力与角变形的,大小,成,正比,。,*,对,于,平衡,流体：,*,粘性也可用,运动粘度表示,：,*,注意单位。,牛顿内摩擦定律应用举例,10!*切应力与剪切变形速率成正比；而固体的切应力与,11,例,1,：底面积为,40 45cm,2,，高为,1cm,的木块，质量为,5kg,，沿涂有润滑油的斜面向下,等速,运动，速度,u,=1m/s,，油层厚度,=1mm,，由木块所带动的油层的运动速度呈直,线性,分布，求油的粘度。,解：等速运动,s,=0,由牛顿定律：,F,s,=m,s,=0,，即：,由内摩擦定律（速度呈直线分布）：,11例1：底面积为40 45cm2，高为1cm的木块，质量,12,带入数据：,12带入数据：,13,例,2,：半径,r,0,的圆盘，在平台上旋转，盘与平台间充有厚度,的油膜，当圆盘以,n,r/min,旋转时，测得扭矩,M,。设油膜内速度沿垂直方向为线性分布，求油的粘度及切应力沿径向的分布规律。,解：半径,r,处的微元环,d,r,上的摩擦阻力为,圆盘微元环所受粘性摩擦阻力矩为：,圆盘所受摩擦阻力矩为：,13例2：半径r0的圆盘，在平台上旋转，盘与平台间充有厚度,14,三、压缩性,作用在流体上的压力变化可引起流体的体积（或密度）变化的性质,.,1,）,体积压缩系数,k,一定温度下，单位压力增量产生的体积,相对减少率,。,单位：,1/Pa,2,）,弹性体积模量,K,，,Pa,P,反映流体抗压缩能力,14三、压缩性 作用在流体上的压力变化可引起流,15,200,C,时，体积为,2.5m,3,的水，,1,=998.23kg/m,3,；当温度升至,800,C,时，,2,=971.83kg/m,3,，体积增加了多少？,例,解：,15200 C时，体积为2.5m3的水，1=998.23,16,水的,K=2000Mpa,，使水的体积分别减小,0.1%,及,1%,时，应增大的压强各为多少？,解：由,当,例,负号,16水的K=2000Mpa，使水的体积分别减小 0.1%及1,四、液体表面张力与润湿及毛细现象,液体表面有明显的欲成球趋势，由分子的内聚力引起。,表面张力是拉力，单位长度上的拉力定义为表面张力，单位为,N/m,。,润湿效应,具体表现为液体在固体表面的扩展或收缩，即浸润或不浸润。,润湿效应,180,90,45,0,四、液体表面张力与润湿及毛细现象液体表面有明显的欲成球趋势，,18,18,毛细现象,是由液体对固体表面的润湿效应和液体的表面张力共同决定的一种界面现象，具体表现为固体壁表面液位的上升或下降（,h,）。,液柱高度为,h,，液体受到的重力为：,弯曲液面与毛细管接触周边上的表面张力在垂直方向的分量为：,两者平衡：,G,f,h,G,改变,h,的途径？,1818 毛细现象是由液体对固体表面的润湿效应和,19,生活及工程实例实例,影响,因素,毛细管半径,表面张力,接触角,加速度,矿物加工领域的应用,细物料脱水难度大；,离心过滤脱水的原理；,助滤剂的作用；,。,离心设备：,Cg,离心因数,19生活及工程实例实例影响毛细管半径表面张力接触角加速度矿物,20,第三节、牛顿体和非牛顿体（,ZX,）,（,1,）,假塑性体,：也叫剪切变稀流体，其粘度随着速度梯度或变形速率的增加而逐渐减小。,涂料、油漆、油脂、高分子溶液,等。,切应力与速度梯度呈线性关系，为一条过,O,点的直线。,一、,牛顿体,水、空气、汽油、煤油、甲苯、乙醇等,二、非牛顿体,O,牛顿体,宾汉理想塑性体,假塑性体,胀塑性体,20第三节、牛顿体和非牛顿体（ZX）（1）假塑,21,（,2,）胀塑性体：也叫剪切变稠流体，其粘度随着速度梯度或变形速率的增加而逐渐增大。,生面团、浓淀粉糊,牛顿体、假塑性体、胀塑性体在切应力很小时就会发生很大的变形，而且关系曲线过,O,点。,（,4,）,宾汉塑性体,：在切应力达到屈服极限之前无变形；但超过屈服应力极限后，切应力和变形速率成线性关系。黄油、牙膏、污泥、,血浆等,等。,（,3,）,塑性体,：能抵抗小的切应力，即只有当切应力大于某临界值后，流体才开始变形。,真实流体,21 （2）胀塑性体：也叫剪切变稠流体，其粘度随,22,O,牛顿体,宾汉理想塑性体,假塑性体,胀塑性体,图,1-6,流变曲线,理想流体,：无粘性的假想流体。,22O牛顿体宾汉理想塑性体假塑性体胀塑性体图1-6 流变曲,第四节 作用于流体上的力,一、,按作用方式,分类,1,、质量力,23,属于远程力、非接触力，作用于每一个流体质点上,;,与流体质量成正比,;,对于均质流体，又称为,体积力,。,单位质量力：,单位质量的流体所受到的质量力,。,直角坐标系中表示为：,或,第四节 作用于流体上的力一、按作用方式分类1、质量力23,24,fx=,fz=,fy=,0,，,0,，,-g,思考：,只有重力作用,时的单位质量力有什么特点？,如果流体受到的质量力只有重力，那么在,Z,轴向上的直角坐标系中，质量力的三个分量分别是：,在如图所示的坐标系中：,说明：,（,2,）单位质量力的单位？,（,1,）常见质量力有,重力,和,惯性力,；,即：,N/kg,，或,m/s,2,24fx=fz=fy=0，0，-g思考：只有重力作用时的单位,25,作用于体积为,V,的流体团上的总质量力如何确定？,单位质量力在整个流体微团体积范围的积分：,不可压缩流体,25作用于体积为V的流体团上的总质量力如何确定？单位质量力在,26,思考：,重力场中，如图所示两种运动状态下的单位质量力为：,fx,fy=0,fx=-a,fy=0,fz=-g,A.f,水,f,水银,；,C.f,水,=f,水银,；,D,、不一定,左图：以加速度,g,下落,右图：以加速度,a,水平运动,思考：,重力场（质量力只有重力）中，水和水银所受的单位质量力,f,水,和,f,水银,的大小,：,g+(-g)=0,fz=,26思考：fxfy=0fx=-a,fy=0,fz=-gA,2,、面积力（表面力）,毗邻流体或其它物体直接作用在流体微团表面上的接触力,(,近程作用,),，大小,与作用面积成正比,。,可分解为,压力,（法线方向，垂直于作用面）、,切力,（切线方向，平行于作用面）。,单位面积上的表面力称为应力：,单位,27,面积力仅作用于自由表面吗？,N/m,2,或,Pa,2、面积力（表面力）毗邻流体或其它物体直接作用在流,28,本章回顾,1,、质点与连续介质模型的内涵与意义,2,、流体的主要特性及表征,3,、牛顿摩擦定律及典型应用,4,、流体的受力、特点及单位质量力分析,5,、理想流体模型及意义？,END,作业（,P16,）：,习题,1-2,、,1-3,、,1-4,28本章回顾1、质点与连续介质模型的内涵与意义2、流体的主要,